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Schule > Physik > Thermodynamik > Die Brennstoffzelle: Eine alternative Energiequelle der Zukunft?

Vortrag – Brennstoffzelle: Eine alternative Energiequelle?

Einleitung:
1842 entwickelte Sir William Robert Grove den Vorreiter der heutigen Brennstoffzelle
bereits 1839 entdeckte er das Grundprinzip der Brennstoffzelle
demonstrierte im Labor die prinzipielle Wirkungsweise
Weiterentwicklung erwies sich als schwierig
Forschung wurde eingestellt
Später gewann an Bedeutung als elektrische Quellen für U-Boote und Raumfahrzeuge
erstmals 1965 in der Raumfahrt als Energiequelle genutzt
Brennstoffzellentechnik umfasst im wesentlichen fünf verschiedene Typen

Unterscheidung in Elektrolyten, von denen die Betriebstemperatur abhängig ist:
Alkalische Brennstoffzelle (AFC) – Kalilauge
Polymermembran-Brennstoffzelle (PEMFC) – protonenleitende Membran
Phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) – konzentrierte Phosphorsäure
Schmelzkarbonat Brennstoffzelle (MCFC) – Alkalikarbonatschmelze
Oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC) – yttriumstabilisiertes Zirkondioxid
Vortrag basiert auf PEMFC

Aufbau:
Elektroden - Anode (positive Elektrode - zieht Anionen an) und Katode (negative Elektrode - zieht Kationen an)
über einen Stromkreis an einen Verbraucher angeschlossen
ein Elektrolyt – übernimmt den Ionentransport
Membran muss gasdicht sein, um den direkten Kontakt von Wasserstoff und Sauerstoff zu vermeiden
mehrere Einzelzellen nennt man Stack (Erzeugung höherer Spannung)

Funktionsweise:
Auf der Anodenseite strömt Wasserstoff ein, der in seine Bestandteile – Protonen und Elektronen – zerlegt wird. An der Kathodenseite wird Sauerstoff zugeführt.
Die ionisierten Wasserstoffkerne (Protonen) können aufgrund der protonendurchlässigen Membran auf die Kathodenseite wandern. Die Elektronen nicht!
Auf der Anodenseite herrscht jetzt ein Elektronenüberschuss und auf der Kathodenseite Elektronenmangel.
Die Elektronen wandern nun über den einzig möglichen Weg, dem äußeren Stromkreis, zur Kathode, um den Elektronenmangel auszugleichen.
Dadurch entsteht ein Elektronenfluss und es liegt zwischen Anode und Kathode ein elektrischer Strom an, der vom Verbraucher genutzt werden kann.
Da sich nun Wasserstoffatome und Sauerstoffatome auf der Kathodenseite befinden, reagieren sie zu Wassermolekülen.
Anodenreaktion: 2H2 ( 4H+ + 4e- Kathodenreaktion: 4H+ + O2 + 2e- ( 2H2O

Anwendung:

mobile Anwendungen:
Kraftfahrzeuge
große Fortschritte im Automobilbau
BMW will PKW mit einem Otto-Motor ausrüsten, der Wasserstoff statt Benzin verbrennt
Ford und VW arbeiten an Konzepten bei denen der Wasserstoff erst während der Fahrt produziert werden soll (Methanol)
PROJEKT NECAR 1-5 von DaimlerChrysler
NECAR 1
1994 wurde der prinzipielle Einsatz von BZ in PKW bewiesen
Brennstoffzellentechnik und Wasserstofftank beanspruchen den kompletten Laderaum eines Transporters

NECAR 5
2000 wurde bewiesen, dass sich Wasserstoff für die Brennstoffzelle an Bord des Fahrzeugs aus Methanol gewinnen lässt
der Methanol-Reformer (löst den Wasserstoff aus Methanol) befindet sich im Boden des PKW
Diagramm ( Fortschritt der Automobilindustrie
Kleingeräte
in Verkehrstechnik, Umwelttechnik und in der Freizeit werden Minibrennstoffzellen genutzt
über einen Adapter lässt sich ein Notebook anschließen und bis zu 100 Stunden betreiben
als Brennstoff wird Methanol genutzt
kleinere Methanol-Zellen können Ladegeräte für Handies oder Taschenlampen geräusch- und emissionsarm mit Strom versorgen
die vorliegende Taschenlampe enthält einen 3-Zellen-Stack mit 4 Watt Spitzenleistung
kann 30 Stunden betrieben werden

Vorteile:
hoher Wirkungsgrad (Brennstoffzellenmotor: 35 - 85%) » Ottomotor: 25% ; Dieselmotor: 33%
Abwärme kann zur Erwärmung von Wasser in Heizkreisläufen genutzt werden (Gesamtwirkungsgrad steigt)
niedrige bzw. keine Schadstoffemissionen (CO2 entsteht nur bei Verwendung fossiler Brennstoffe, wie Erdgas)
Wasser bzw. Wasserdampf wird als Abfallprodukt produziert (bei Verwendung von H2 und O2 als alleinigen Brennstoff)
hohe Effizienz » unmittelbare Umsetzung von chemischer in elektrische Energie
geräuschloser Betrieb (nur das Gebläse ist zu hören)
niedrige Betriebstemperaturen » 70° - 90°C [beim Brennstoffzellentyp PEMFC (Polymermembran-Brennstoffzelle)]
Brennstoffzellen plus Tank wiegen weniger als Batterien mit vergleichbarer Leistung

Nachteile:
CO2-Emissionen pro gefahrenen Kilometer sind zwar beim Brennstoffzellentyp MCFC (Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle) geringer gegenüber diesel-/benzinbetriebenen Fahrzeugen, belasten aber weiterhin die Umwelt
zur Zeit hohe Produktionskosten
Wasserstoffherstellung im Labor zu teuer
umweltbelastende Gewinnung des Wasserstoffs (aus Erdgas)
Lagerungs- und Transportprobleme des Wasserstoffs
Tankvorrichtungen müssen geschaffen werden (kostspielig)

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